赛车空动优化的秘密

梁子平

对于方程式赛车而言，车身的空气动力学可以很大程度上影响赛车的操控性能。但由于空气动力学套件工作时受到多方面的影响，使得在某些条件下这些套件无法适应复杂的外界环境，极大地降低赛车的性能。本文将以FSC赛车和F1赛车为技术背景，讨论从优化边界层的角度可以为赛车的空气动力学性能带来怎样的提升。

什么叫边界层

赛车的前翼、尾翼和扩散器，虽然工作原理和各自所处的气流环境存在较大差异，但它们却有一个共同点：必须利用气流的持续附着才能正常工作。一旦引发气流失速，这些套件都将失效，无法为赛车提供足够的负升力。一般程度上来说，气流的分离往往是物面的粘滞作用和逆压梯度造成的，而这又与边界层密切相关。通过翼面开槽、安装涡流发生器等措施，可以为翼面下方提供能量，弥补流速损失，进而优化边界层，延迟失速的发生。因此，对边界层的处理和优化对于一辆方程式赛车而言至关重要。

流体流过物面的过程中，由于受到粘滞作用的影响程度不同，使得沿壁面法线方向存在相当大的速度梯度，我们将紧贴物面、沿物面法线方向速度变化很大的一层流体称为边界层。

在离物面较远处，粘性力比惯性力小得多，可以把黏性应力略去不计，按无粘流体处理；而在紧贴物面的一层，粘滞力完全占主导作用，流体的流速为零。因此，可以将边界层理解为紧贴物面受黏性影响显著的流体薄层。

通常将边界层的厚度δ定义为从物面到约等于99%的外部流动速度处的垂直距离，而流速达到0.99v处定义为边界层的外边界。在这一边界之外，可以近似忽略粘性影响。

由于气流在流动过程中受到黏性影响使得速度有所损耗，因此流动越向下游，边界层越厚。

根据雷诺数的大小，边界层内的流动有层流与湍流两种形态。一般上游为层流边界层，下游从某处以后转变为湍流，且边界层急剧增厚。层流和湍流之间有一过渡区。当所绕流的物体被加热（或冷却）或高速气流掠过物体时，在邻近物面的薄层区域有很大的温度梯度，这一薄层称为热边界层。

边界层对方程式赛车的影响

前文中提到过，方程式赛车的前翼和尾翼都依靠气流的持续附着才能正常工作。

以上述翼型为例，翼片下表面的气流利用康达效应沿翼片曲率附着流动，利用翼面上下的流速差制造负升力。但如果翼片的曲率过大，或襟翼的攻角过大，气流将与翼面表面发生分离，引发失速。下面的翼片迎角绕流实验很好地说明了这一问题。

通过实验图片，我们可以看到，当翼片的气动迎角超过某个值时，附着在翼片上的气流就会和翼片本身分离，在区域内形成分离涡，这样一来，下压力或升力也就要相对减小。

对于方程式赛车，原则上需要用尽可能大的襟翼攻角来压榨足够的负升力，但是气流的失速现象明显限制了这一举措。而气流失速在某种程度上又是和边界层的分离密切相关的。

气流流过物面时，边界层内的气流由于黏性作用而消耗了部分动能，根据适用于气体的伯努利方程P+1/2ρv2=常量，动能的损失将导致区域压强的升高，而在流向的方向上，压强是持续升高的，这部分压差使得气流无法沿着物面流动，以至于发生倒流，使气流离开物面。

边界层分离的内因是因为流体具有黏性，外因则是物面弯曲而出现的逆压梯度。

流体的流动状态对分离也有影响。如果在分离点之前边界层为层流，则称这种分离为层流分离。如果分离点之前边界层已经变成湍流，则称这种分离为湍流分离。理论上，湍流分离比层流分离发生得晚。这是由于湍流边界层内速度分布比层流边界层内速度分布较为“饱满”，所以在减速区内不易变“瘦”，可以使分离现象推迟发生。

由于分离后物体背风面压强低于前部压强，故有一个压差阻力存在。实验表明，边界层的分离区越大，压差阻力也越大；反之，压差阻力越小。要减小压差阻力，就要减小气流分离区，就是要使边界层分离点后移。对于流线型的翼剖面，在小攻角下，这部分压差阻力相当小。随着攻角增大，压差阻力将增大，当翼型上绕流分离时，压差阻力将陡增。因此，推迟边界层的分离对于提升赛车的空气动力学性能具有巨大的实际意义。（未完待续）endprint